微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)分為巨型、大型、小型和微型計(jì)算機(jī)。一般而言，微型計(jì)算機(jī)是使用微處理器（Microprocessor）作為CPU的計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的大多數(shù)部件都緊密地安裝在機(jī)箱中，作為人機(jī)交互的I/O設(shè)備則連接在機(jī)箱之外，如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等。它體積小，適合于日常計(jì)算及商務(wù)用途。臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、TabletPC以及各種電子手持設(shè)備都屬于微型計(jì)算機(jī)的范疇，如圖所示。

圖1.1各種類型的微型計(jì)算機(jī)1.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成微處理器將運(yùn)算器和控制器兩個(gè)主要功能部件合二為一，集成到一個(gè)芯片中。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器代替磁芯存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量和存取速度成倍地增長(zhǎng)，需要計(jì)算機(jī)處理、加工的信息量與日俱增，為適應(yīng)發(fā)展的需要，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)從以運(yùn)算器為中心逐步轉(zhuǎn)向以存儲(chǔ)器為中心，如圖所示。盡管如此，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)仍然遵循馮·諾依曼原理。

圖1.2以存儲(chǔ)器為中心的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)1.1.1硬件系統(tǒng)如圖所示，微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)分為主機(jī)和外部設(shè)備兩大部分。存儲(chǔ)器包括內(nèi)存和外存，輸入包括輸入設(shè)備和輸入設(shè)備接口，輸出包括輸出設(shè)備和輸出設(shè)備接口，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)。圖1.3微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1.1.1硬件系統(tǒng)多媒體計(jì)算機(jī)就是在普通微型計(jì)算機(jī)上增加了多媒體處理設(shè)備的計(jì)算機(jī)，這些設(shè)備包括聲音處理設(shè)備、圖像處理設(shè)備等，如圖所示。圖1.4多媒體計(jì)算機(jī)的組成1.1.1硬件系統(tǒng)如圖所示，是從側(cè)面觀察的機(jī)箱內(nèi)部，各種設(shè)備通過接口、插座、插槽等方式安裝在一起。圖1.5計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部1.1.1硬件系統(tǒng)可將主要設(shè)備從機(jī)箱中拆卸出來，擺放在一起，如圖所示。主板作為整個(gè)計(jì)算機(jī)的基板，是CPU、內(nèi)存、I/O接口的載體。主板是否穩(wěn)定關(guān)系著整個(gè)計(jì)算機(jī)是否穩(wěn)定，主板的速度在一定程度上制約著整機(jī)的速度。圖1.6計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)包含的設(shè)備1.1.1硬件系統(tǒng)常用輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)等。有時(shí)也會(huì)用到光筆、掃描儀、游戲控制桿、數(shù)碼相機(jī)、麥克風(fēng)、攝像頭、條碼閱讀機(jī)和讀卡機(jī)等輸入設(shè)備。常用的輸出形式有文字、聲音、圖像、動(dòng)畫（或視頻）、動(dòng)作和狀態(tài)等。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、音箱、繪圖儀等，如圖所示為典型的輸入/輸出設(shè)備。

圖1.7計(jì)算機(jī)輸入/輸出設(shè)備1.1.2軟件系統(tǒng)軟件是為了運(yùn)行、管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)而人工編制的各種程序的集合。如圖所示，軟件系統(tǒng)建立在硬件系統(tǒng)之上，通過基本輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS）作用于硬件，執(zhí)行相應(yīng)功能。圖1.8軟件系統(tǒng)建立在硬件之上1.1.2軟件系統(tǒng)1．基本輸入/輸出系統(tǒng)基本輸入/輸出系統(tǒng)（BasicInputandOutputSystem，BIOS），是最基本的直接操作、測(cè)試和管理計(jì)算機(jī)硬件（裸機(jī)）的一組程序集。BIOS放在系統(tǒng)主板ROM芯片中。BIOS包含下列功能：（1）系統(tǒng)配置分析。分析CPU型號(hào)、內(nèi)存容量、軟驅(qū)/硬盤的數(shù)量與型號(hào)、I/O設(shè)備等，作為計(jì)算機(jī)運(yùn)行的重要參考信息。（2）開機(jī)自測(cè)試（Power-onSelfTest），也稱加電自檢。用來測(cè)試CPU、內(nèi)存、芯片組、外設(shè)等工作是否正常，并對(duì)主機(jī)和有關(guān)外設(shè)進(jìn)行初始化操作。當(dāng)計(jì)算機(jī)通電后，“開機(jī)自測(cè)試”程序被執(zhí)行，測(cè)試情況在顯示器上用文字、圖形顯示，蜂鳴器發(fā)出聲音通知用戶。開機(jī)測(cè)試正常，才會(huì)執(zhí)行BIOS的“載入操作系統(tǒng)”程序。（3）輸入/輸出中斷服務(wù)程序。建立BIOS中斷向量表，并使相關(guān)的中斷服務(wù)程序常駐內(nèi)存，以供操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序調(diào)用。（4）載入操作系統(tǒng)。當(dāng)開機(jī)自我測(cè)試完成后，該程序找出操作系統(tǒng)在硬盤上的位置并載入內(nèi)存，之后BIOS將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，完成開機(jī)操作。1.1.2軟件系統(tǒng)2．系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)資源的軟件，是擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的功能、提高計(jì)算機(jī)的工作效率、方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可缺少的，一般由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商或?qū)ｉT的軟件公司開發(fā)研制，出廠時(shí)寫入ROM芯片或存入存儲(chǔ)介質(zhì)（如光盤等），供用戶選購(gòu)。系統(tǒng)軟件中最常用的就是操作系統(tǒng)，任何用戶都必須使用操作系統(tǒng)，因?yàn)槠渌绦蚨家诓僮飨到y(tǒng)支持下運(yùn)行。目前，常用的操作系統(tǒng)有Windows、Linux等。系統(tǒng)軟件還包括語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)性能測(cè)試程序等。1.1.2軟件系統(tǒng)3．應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是完成某種特定應(yīng)用功能的軟件。用戶平時(shí)見到和使用的大部分軟件均為應(yīng)用軟件，如MicrosoftOffice、AdobePhotoshop、MacromediaFlash、殺毒軟件、學(xué)習(xí)軟件、游戲軟件和上網(wǎng)軟件等。應(yīng)用軟件一般在操作系統(tǒng)安裝后根據(jù)用戶的需要安裝，不再使用的應(yīng)用軟件應(yīng)及時(shí)卸載。有些應(yīng)用軟件隨操作系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，如病毒監(jiān)控軟件，與系統(tǒng)結(jié)合較緊密，所以應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件的劃分并不是絕對(duì)的。1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.2.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展1．第1代：4位及低檔8位微處理器第一個(gè)微處理器是美國(guó)Intel（英特爾）公司于1971年生產(chǎn)的4位微處理器4004，如圖所示。

Intel4004/4040體積小、價(jià)格低，立即引起了相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的興趣。1972年，Intel公司又生產(chǎn)了8位微處理器8008，人們將Intel4004、4040、8008稱為第一代微處理器。這些微處理器的字長(zhǎng)為4位或8位，集成度大約為2000個(gè)晶體管/片，時(shí)鐘頻率為1MHz，平均指令執(zhí)行時(shí)間約為20μs。

（a）

（b）圖1.9Intel4004（a）和8008處理器（b）1.2.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展2．第2代：中、低檔8位微處理器20世紀(jì)70年代中期，微處理器生產(chǎn)廠商群雄逐鹿，生產(chǎn)了多種型號(hào)的微處理器，其中設(shè)計(jì)最成功、應(yīng)用最廣泛的是Intel公司的8080/6085系列，Rockwell公司的6502，Zilog公司的Z80，Motorola公司的6800/6802等，稱為第二代微處理器。它們的時(shí)鐘頻率為2～4MHz，平均指令執(zhí)行時(shí)間為l～2ms，集成度超過5000個(gè)晶體管/片。在這一時(shí)期，微處理器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)已相當(dāng)成熟，配套的各類器件也很齊全。圖所示為1974年羅伯茨用8080微處理器裝配的一種專供業(yè)余愛好者試驗(yàn)用的“牛郎星”計(jì)算機(jī)（Altair）。圖1.10采用Intel8080處理器的Altair計(jì)算機(jī)1.2.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展3．第3代：高、中檔8位微處理器20世紀(jì)70年代末，超大規(guī)模集成電路工藝已經(jīng)成熟。1978—1979年，一些廠商推出了性能可與過去占用數(shù)個(gè)房間的中檔小型計(jì)算機(jī)相比的16位微處理器，其中有代表性的三種芯片是Intel8086/8088，Zilog公司的Z8000，以及Motorola公司的MC68000。它們的時(shí)鐘頻率為4～8MHz，平均指令執(zhí)行時(shí)間為0.5μs，集成度為20000～60000個(gè)晶體管/片。人們將這一時(shí)期的微處理器稱為第一代超大規(guī)模集成電路微處理器。1981年，IBM公司推出采用Intel8088的IBM5150微型計(jì)算機(jī)，如圖所示，并將其稱為PersonalComputer（個(gè)人計(jì)算機(jī)），不久，其縮寫“PC”成為所有微型計(jì)算機(jī)的代名詞。圖1.11采用Intel8088處理器的IBM5150計(jì)算機(jī)1.2.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展4．第4代：16位及低檔32位微處理器1980年以后，半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商繼續(xù)在提高電路的集成度、速度和功能方面展開研發(fā)，取得了很大進(jìn)展，相繼出現(xiàn)了Intel80286、Motorola68010等16位高性能微處理器。1983年以后，Intel80386和Motorola68020相繼推出。這兩者都是32位微處理。1989年Intel公司推出了80486（時(shí)鐘頻率為30～40MHz），集成度達(dá)到15～50萬甚至上百萬個(gè)晶體管/片，因此稱為超級(jí)微型機(jī)。早期的80486相當(dāng)于把80386和完成浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)學(xué)協(xié)處理器80387以及8KB的高速緩存集成到一起，這種片內(nèi)高速緩存稱為一級(jí)（L1）緩存，80486還支持主板上的二級(jí)（L2）緩存。后來推出的80486DX2首次引入了倍頻的概念，有效緩解了外部設(shè)備的制造工藝跟不上CPU主頻發(fā)展速度的矛盾。1.2.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展5．第5代：高檔32位/64位微處理器1993年以后，Intel公司又陸續(xù)推出了Pentium、PentiumPro、PentiumMMX、

PentiumII、PentiumIII和PentiumIV，這些CPU內(nèi)部都是32位數(shù)據(jù)寬度，都屬于32位微處理器。在此過程中，CPU的集成度和主頻不斷提高。盡管64位處理器早已運(yùn)用于超級(jí)計(jì)算機(jī)和頂級(jí)服務(wù)器上，但在微型計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用一直步履蹣跚。1.2.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展2005年以后，隨著Intel公司推出第一個(gè)雙核EM64T處理器PentiumEE和

PentiumD，AMD公司也引入它的第一個(gè)雙核AMD64Opteron服務(wù)器CPU和桌面型版本Athlon64X2，雙核和多核處理器開始正式進(jìn)軍微型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，如圖所示。

（a）

（b）圖1.12從32位的IntelPentium586（a）到64位雙核的AMDAthlon64X2（b）1.2.2微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1．DOS操作系統(tǒng)DOS的全稱是磁盤操作系統(tǒng)（DiskOperatingSystem）。它的主要功能是設(shè)備管理和文件管理。MS-DOS是主要的操作系統(tǒng)之一，由微軟（Microsoft）公司開發(fā)，它經(jīng)歷了～幾個(gè)階段的不斷發(fā)展，是一個(gè)單用戶、單任務(wù)、命令行界面的操作系統(tǒng)。2．Windows操作系統(tǒng)Microsoft公司的Windows操作系統(tǒng)家族經(jīng)歷了從到WindowsNT/2000/XP/2003和WindowsVista的發(fā)展，最新的Windows7操作系統(tǒng)目前已通過Beta測(cè)試，進(jìn)入RC（ReleaseCandidate，發(fā)行候選）階段。1.2.2微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)如圖所示的系統(tǒng)啟動(dòng)界面展示了Windows的發(fā)展歷程。圖1.13Windows發(fā)展歷程中的各個(gè)版本1.2.2微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)3．UNIX和Linux操作系統(tǒng)UNIX系統(tǒng)是由AT&T公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)的。UNIX是一個(gè)功能強(qiáng)大的多用戶、多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)。現(xiàn)在的UNIX由不同的公司衍生出了很多不同的版本。Linux操作系統(tǒng)是UNIX兼容系統(tǒng)之一，由于其“自由”和“開放”的特性，衍生出了眾多各具特色的發(fā)行版，圖形象地示出了Linux的這一特色。圖1.14Linux有多個(gè)發(fā)行版1.2.2微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)蘋果MACOS操作系統(tǒng)是專用于蘋果計(jì)算機(jī)的基于UNIX技術(shù)的操作系統(tǒng)，較新的（Leopard）操作系統(tǒng)，如圖所示，符合最新的UNIX系統(tǒng)規(guī)范第三版（UNIX03認(rèn)證），并且最新的蘋果計(jì)算機(jī)也開始采用類似于PC的Intel-based架構(gòu)，轉(zhuǎn)而使用Intel處理器。圖1.15MACOSXLeopard的操作界面1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行1.3.1硬件初始化1．打開電源后的處理Step1.

當(dāng)按下電源開關(guān)時(shí)，交流電開始送到電源變壓器，此時(shí)電壓還不太穩(wěn)定。主板芯片組會(huì)向CPU發(fā)出并保持一個(gè)RESET（重置）信號(hào)，讓CPU內(nèi)部自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，但CPU在此刻不會(huì)馬上執(zhí)行指令。計(jì)算機(jī)檢測(cè)電源設(shè)備并確認(rèn)供電是否穩(wěn)定。若電壓穩(wěn)定，則電源向主板芯片組發(fā)送信號(hào)，表示可以供電，一切正常。Step2.

當(dāng)芯片組檢測(cè)到電源供電穩(wěn)定的信號(hào)后，它便撤去RESET信號(hào)（如果是手工按下計(jì)算機(jī)面板上的Reset按鈕來重啟機(jī)器，那么松開該按鈕時(shí)芯片組就會(huì)撤去RESET信號(hào)），與此同時(shí)計(jì)算機(jī)的Power指示燈亮起。Step3.

CPU從地址FFFF:0000處（即BIOS的地址空間內(nèi)）讀入一條跳轉(zhuǎn)指令，到BIOS的啟動(dòng)代碼處，執(zhí)行后續(xù)指令。

1.3.1硬件初始化2．加電自檢（POST）并準(zhǔn)備硬件Step1.

POST過程大致為：加電→CPU→ROMBIOS→SystemClock→DMA→640KBRAM→IRQ→顯卡等。檢測(cè)顯卡以前的過程稱為關(guān)鍵部件測(cè)試，由于顯示系統(tǒng)未初始化，該過程沒有任何屏幕輸出。如果關(guān)鍵部件有問題，計(jì)算機(jī)會(huì)處于掛起狀態(tài)，習(xí)慣上稱為核心故障。在正常情況下，POST過程進(jìn)行得非?？欤灾劣诤茈y被用戶感覺到。如果計(jì)算機(jī)在POST階段出現(xiàn)故障，需要跟蹤POST過程，必須使用POST診斷卡等檢測(cè)設(shè)備，如圖所示，有的主板上已集成了POST診斷功能。圖1.16POST診斷卡1.3.1硬件初始化Step2.

接下來系統(tǒng)將檢查顯卡，通過讀取顯卡BIOS來初始化顯卡，大多數(shù)顯卡都會(huì)在屏幕上顯示一些信息，介紹生產(chǎn)廠商、顯卡芯片類型等，如圖所示。如果是品牌計(jì)算機(jī)，一般會(huì)顯示計(jì)算機(jī)廠商的Logo信息。系統(tǒng)BIOS接著會(huì)查找聲卡、網(wǎng)卡等擴(kuò)展設(shè)備的BIOS程序，并使用BIOS內(nèi)部的初始化代碼來初始化相關(guān)設(shè)備，該過程十分簡(jiǎn)短。圖1.17顯卡名稱、BIOS版本、制造商和顯存容量等信息1.3.1硬件初始化tep3.其他設(shè)備的BIOS查找完畢之后，系統(tǒng)BIOS將顯示自身的啟動(dòng)畫面，如圖所示。其中包括系統(tǒng)BIOS的類型、序列號(hào)和版本號(hào)等。接著系統(tǒng)BIOS將檢測(cè)和顯示CPU的類型和工作頻率，然后開始測(cè)試全部?jī)?nèi)存。BIOS信息檢測(cè)CPU、內(nèi)存、驅(qū)動(dòng)器、即插即用等

圖1.18AMI和AwardBIOS的檢測(cè)信息顯示1.3.1硬件初始化Step4.之后，系統(tǒng)BIOS將開始檢測(cè)系統(tǒng)中安裝的其他硬件設(shè)備，包括鍵盤、硬盤、光盤和軟盤驅(qū)動(dòng)器等，有些BIOS還會(huì)顯示內(nèi)存時(shí)鐘和單/雙通道模式，硬盤和光驅(qū)DMA模式等。如果在此時(shí)系統(tǒng)停止，則有可能是設(shè)備連接問題或故障。Step5.

檢查即插即用支持，通過該功能檢測(cè)連接到主板上的聲卡、調(diào)制解調(diào)器等即插即用設(shè)備。每找到一個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)都會(huì)為該設(shè)備分配中斷、DMA通道和I/O端口等資源。Step6.

將上述檢測(cè)結(jié)果與CMOS芯片上記錄的內(nèi)容比較，以確認(rèn)硬件是否更改，是否與CMOS中的信息一致。注意，BIOS設(shè)置程序（或稱CMOS設(shè)置程序）完成硬件參數(shù)設(shè)置（自動(dòng)或手動(dòng)）后的硬件設(shè)備信息保存在CMOS存儲(chǔ)器中。1.3.1硬件初始化Step7.

所有硬件都已經(jīng)檢測(cè)配置完畢后，一些BIOS會(huì)重新清屏，并在屏幕上顯示一個(gè)表格，其中簡(jiǎn)要地列出了系統(tǒng)中安裝的各種標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，以及它們使用的資源和一些工作參數(shù)，如圖所示。圖1.19確認(rèn)設(shè)備和使用的資源1.3.2載入啟動(dòng)文件Step1.

系統(tǒng)讀取BIOS/CMOSSetup（BIOS或CMOS設(shè)置程序）中設(shè)置的BootSequence（啟動(dòng)順序），從軟驅(qū)、硬盤或光驅(qū)中尋找啟動(dòng)所需文件，WindowsXP系統(tǒng)所需的文件是NTLDR、和。進(jìn)入CMOS設(shè)置的方法是，在打開計(jì)算機(jī)電源出現(xiàn)啟動(dòng)畫面時(shí)根據(jù)提示按相應(yīng)的按鍵，不同品牌BIOS按鍵不同，可能是【F1】、【F2】或【Delete】鍵。找到BootSequence頁面，如圖所示。圖1.20CMOSSetup中的啟動(dòng)順序1.3.2載入啟動(dòng)文件Step2.

一般情況下，用戶將操作系統(tǒng)安裝在硬盤上，BIOS找到可啟動(dòng)的硬盤，從硬盤的開頭部分讀入MBR（MasterBootRecord，主引導(dǎo)記錄）。硬盤的主引導(dǎo)記錄（MBR）不屬于任何一個(gè)操作系統(tǒng)，它先于所有的操作系統(tǒng)而被調(diào)入內(nèi)存，其中包含已安裝的操作系統(tǒng)位置和其他信息。磁盤開頭部分包含的內(nèi)容和順序如圖所示。圖1.21磁盤開頭部分示意圖1.3.2載入啟動(dòng)文件

MBR程序段的主要功能如下：

檢查硬盤分區(qū)表是否完好。

在分區(qū)表中尋找可引導(dǎo)的“活動(dòng)”分區(qū)。

將活動(dòng)分區(qū)的第一邏輯扇區(qū)內(nèi)容裝入內(nèi)存，在DOS分區(qū)中，此扇區(qū)內(nèi)容稱為DOS引導(dǎo)